船舶水动力导数的CFD方法求取

船舶水动力导数的CFD方法求取

船舶水动力导数的ＣＦＤ方法求取

杨波万林王骁石爱国杨宝璋

【内容提要】水动力导数对于船舶操纵性研究有着非常重要的意义，拘束船模试验是获得船舶水动力导数的重要方法，而获得水动力导数也是操纵性ＣＦＤ的重要目标之一。本文讨论了船模纯横荡实验的数值模拟方法，并用试验结果求取船舶的位置导数和加速度导数，得到了定性成果，为拘束船模实验的ＣＦＤ方法研究提供了有益的经验。

【关键词】船舶计算流体力学拘束船模试验

ｌ、引言

船舶在静水中作自由机动时，船体所受的水动力可以看作是水动力导数和船舶相应运动量计算结果的组合。．船舶操纵性方程的诸多系数，都需要通过水动力导数来求取，因此水动力导数的计算对于舰船航向航速优选、舰船模拟器的开发以及船舶安全的研究都具有非常重要的意义。

求取水动力导数有多种方法，拘束船模试验是目前应用最为广泛的一种。其主要有两个优点：一是拘束船模试验，是到目前为止唯一可靠的、能够获得比较精确的船舶水动力导数的方法。二是拘束船模试验得到的水动力导数无因次值，可直接用于实船。日本的野本谦作【１１和第十四届国际拖曳水池会议通过大量实验数据分析后得出：当船模大于一定尺度时（４～５米），船模试验得到的水动力导数几乎不受尺度效应的影响。此结论已成为船舶水动力学界的共识。

近十年来，随着流体力学粘性流理论的不断发展和计算机速度和容量的迅猛提高，ＣＦＤ（计算流体力学）方法已经越来越多地应用于船舶领域。在船舶快速性方面，已经能够采用粘性流方法精确地预报船舶直航情况下的粘性阻力。在船舶操纵性方面，粘性流方法的应用研究也已展开，并且成为国际船舶水动力预报的热点和前沿课题，利用ＣＦＤ方法求取各个水动力导数，也成为操纵性ＣＦＤ的重要目标之一。到目前为止，国内操纵性ＣＦＤ的研究多限于直航或定漂角斜航的研究，对于船模的旋臂试验和平面运动机构试验的数值模拟研究则较少‘２１１３】【７ｌ。本文利用ＣＦＤ方法对船模的纯横荡试验进行了数值模拟，取得了初步的成果，为拘束船模试验的ＣＦＤ方法研究提供了借鉴。

２、纯横荡试验的数值模拟

２．１、数值模拟设计

纯横荡运动是平面运动机构（ＰＭＭ）可以实现的典型运动方式之一。如图１所示，纯横荡水池中船模沿水池中心线匀速运动的同时，叠加一个横向位移。Ｙ＝ＹｎｓｉｎａＪｔ，相应的＇，＝审＝ｙａＯ）Ｃｏｓ０３ｔ。由于船模的中心线始终和船池中心线平行，即首向不变，则缈＝矽＝ｒ＝０［４１ｏ

ｙ

图１纯横荡试验

如图２所示，若将试验中的船模看作是静止的，则作用于船模上的水流可以分解为两个分量：一是沿塑堡圣墨塑塑竺查鎏墨：奎型：塑塑堡竺堕坠望些塑竺！三墨塑丝堡！塑塑塑查鎏墨：垄壁奎型：堕堕塑呈 ３０ 中国航海学会２００７年度学术交流会优秀论文集专刊

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－－ｙ妒Ｙ—ｎｉｓ

正弦（或余弦）变化，为ｖ＝ｙｎ国ｃｏｓ

时的横向受力Ｙ和力矩Ｎ。经公式（１）（２）罗以求得位置导数ＫＫⅣ口Ｍ。，Ｅ：警＋，，ｌ……。…：…ｊ…：………………“１）眠Ｖ：避，砘＝墼＋慨…………………………（２）ｙ．：—ｏ

ａｏ）．。通过模拟两个方向上的水流分量，可以求得船模在做纯横荡运动ａａｒ—

式中：Ｋ、Ⅳｎ——测得的Ｙ方向力和力矩的幅值；

纸、织——－Ｙ方向力和力矩与横向位移之间的相位差；

ａ——横向位移的幅值；

国——横向位移的角频率；

ｍ——船模质量；

％——船模重心的ｘ坐标。

“２“０，

图２纯横荡试验试验水流示意图

２．２、数值模拟的实现

ｗａｔｅｒ—ｒｉｇｈｔ

圈３纯横荡试验计算域及界面．

计算域如图３所示，我们将边界条件设置如下：

（１）ｗａｔｅｒ－ｉｎ和ｗａｔｅｒ－ｌｅｆｔ作为进流面，设置为速度入口，两个方向的速度为：’

“＝一Ｕｏ’’，２Ｙｏｓｉｎ甜。

其中：‰——船模速度；

∞——船模横荡的角速度；

’（２）ｗａｔｅｒ－ｏｕｔ和ｗａｔｅｒ－ｒｉｇｈｔ作为出流面，设置条件为压力出口。

（３）ｈｕｌｌ设置为无滑移的壁面。

（４）ｗａｔｅｒ－ｕｐ设置为有滑移的壁面。

２．３、数值的提取和处理

图４是某型船进行纯横荡实验的数值模拟时，速度入口Ｙ方向的速度变化。

从图４可以看出，速度入口Ｙ方向的速度是呈正弦变化的，前半个周期速度ｖ＞０，后半个周期ｖ＜０。ｙｎ一船模横荡幅度；当ｖ＞０时，水流方向在船舶坐标系中是沿Ｙ的正向的，即由ｗａｔｅｒ－ｌｅｆｔ流入，由ｗａｔｅｒ－ｒｉｇｈｔ流出，这时将ｗａｔｅｒ－ｌｅｆｔ设置为速度入口是合理的。但是当ｖ＜０，即水流由ｗａｔｅｒ－ｒｉｇｈｔ流入，由ｗａｔｅｒ－ｌｅｆｔ流出时，这是船舶水动力导数的ＣＦＤ方法求取——杨波万林王骁石爱国杨宝璋 ３ｌ

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的ｗａｔｅｒ－ｆｉｇｈｔ应该设置为速度入口边界，而ｗａｔｅｒ－ｌｅｆｔ应该为压力出ＩＺＩ边界。所以当１，＜０时我们边界条件设置是不合理的，这时得到的船模Ｙ方向受力也是不合理的。

满

图４速度入口边界Ｙ方向速度

但是通过记录数据我们发现，虽然＇，＜０时的流场是不合理的，但是在多个周期内，１，＞０区间内船模Ｙ方向的受力是稳定的，由此判断，１，＜０时间段内不合理的流场对’，＞０时合理值的影响是小量，因此１，＞０时，船模Ｙ方向的受力是可信的。为了得到一个周期内的合理数值，我们改变边界条件的设置，将ｗａｔｅｒ－ｒｉｇｈｔ设置为速度入口，而将ｗａｔｅｒ－ｌｅｆｔ设置为压力出ＩＳｌ，其他条件保持不变，可以得到＇，＜０时的合理值，这样就可以得到整个周期内的受力。

３、算例

对某型舰的纯横荡试验进行数值模拟。

３．１、舰模参数

该舰模为带球鼻首某舰模型：

设计水线长：Ｌ＝４．２ｍ

设计水线宽：Ｂ＝０．４６１７ｍ

正常排水量平均吃水：ｄ－－０．１３５ｍ

方型系数：Ｃｂ－－０．４９４２

船模质量：ｍ＝１３．８０５ｋｇ

３．２、计算域生成

采用图３所示计算域，计算域的尺度以船长Ｌ为单位。

域长：３Ｌ

域宽：Ｌ

域深：Ｌ，以此为半径，得半圆柱形自由面下计算域。

３．３、网格生成

采用非结构性网格，网格尺度：船体表面最小ｌｃｍ，最大２４ｃｍ，放大率１．５，网格数４７１３６４，无扭曲网格。，

图５某型舰的网格生成中国航海学会２００７年度学术交流会优秀论文集专刊

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３．４、湍流模型

采用标准誓一￡（湍动能一耗散率）两方程模型，取值如下：

／Ｃ＝０．０２２５￡＝０．００７９２

３．５、边界条件

纯横荡试验Ｙ向位移的幅值为１．３ｍ，角速度为２９。／ｓ，各边界设置为：

边界

进流面Ｗａｔｅｒ－ｉｎ

外边界Ｗａｔｅｒ－ｌｅｆｔ

出流面Ｗａｔｅｒ－ｏｕｔ

压力出口

外边界Ｗａｔｅｒ－ｒｉｇｈｔ

上边界ｗａｔｅｒ－ｕｐ

船体Ｈｕｌｌ有滑移壁面无滑移壁面．条件设置速度入口（“＝－１．７ｍ／ｓ，ｙ＝１．３宰Ｏ．５１＊ｓｉｎ（０．５１＊ｔ）ｍ／ｓ）

３．６、计算结果

计算时间７６．８ｓ，通过对Ｙ方向力的变化过程进行记录，得到Ｙ力稳定后几个最大值出现的时间Ｔ（ｓ）和幅值虼为：

Ｔ（ｓ）１４．３２６．９３９．１５１．６６３．９

％（Ｎ）９２．２６９２．１４９２．２８９１．９５９３．４２

３．７、数值的提取和水动力导数的计算

计算步骤如下：

（１）取五个峰值时的Ｋ值并求其均值，作为横向力的幅值，求得坛＝９２．４１Ｎ。

（２）通过读取数据得到Ｙ力和位移之间的相位差为．５６．３６０。

（３）设定ａ＝１．３ｍ，彩＝０．５０６ｒａｄＩｓ。．

（４）由公式（１）得Ｙ．＝－１１６．９４，Ｋ＝－２８９．１。

类似船模（ＤＴＭＢ５４１５）的水池试验数据Ｋ：一１４３．２６，Ｋ＝一３９４．２５。考虑到该船模吃水大于计算船模，所以上述结果是有参考价值的，如在边界条件、网格划分和计算时间步长等几个方面进行优化，计入自由面的影响，计算精度将能满足设计要求。

参考文献

【１】野本谦作，船舶操纵性和控制及其在船舶设计中的应用，中国船舶科学研究中心，１９８５

【２１蔡荣泉，关于船舶ＣＦＤ的现状和一些认识【Ｊ】，船舶，２００２，（１）

【３】张志荣，水面舰船综合粘性流场的实用化ＣＦＤ的研究【Ｄ】，无锡中国船舶科学研究中心，２００４，３

【４】吴秀恒、刘祖源、施生达等，船舶操纵性【Ｍ】，北京国防工业出版社，２００５，９

【５】王福军，计算流体动力学分析【Ｍ】，北京清华大学出版社，２００４，９

【６】刘儒勋、王志峰等，数值模拟方法和运动界面追踪【Ｍ】，合肥中国科技大学出版社，２００１

【刀高秋新，船舶ＣＦＤ研究进展［Ｊ】，船舶力学，１９９９，３（４）７４—７８

【作者简介】杨波，海军大连舰艇学院在读硕士研究生，主要研究船舶操纵性ＣＦＤ。地址：海军大连舰艇学院研究生二队，

邮编１１６０１８，电话（０４１１）８５８５５７８３，手机１３４７８９４２５９０，电子邮箱ｙａｎｇｂ０８３０７３０＠ｓｉｎａ．ｔｏｍ

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作者：

作者单位：杨波， 万林， 王骁， 石爱国， 杨宝璋

本文链接：/Conference_6525743.aspx

授权使用：南京航空航天大学图书馆(wfnhtsg)，授权号：d9e153f1-a3ae-4ab0-8561-9e3200e39721

下载时间：2010年11月18日

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ibm4.html